“三位一體”的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)改革實踐

李海豐 李俊生 謝麗霞 王宏偉 萬小艷

摘 ?要： 為了應(yīng)對目前C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中面臨的諸多問題及挑戰(zhàn)，提出了“三位一體”的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)改革方案。通過專題化教學(xué)內(nèi)容整合、立體化教學(xué)模式改革、多層次實驗體系建設(shè)以及多維度課程考核等方式培養(yǎng)學(xué)生的“編程技能、算法知識、計算思維”。上述教學(xué)改革措施已在中國民航大學(xué)實踐了兩年，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 三位一體; C語言程序設(shè)計; 教學(xué)改革; 編程技能; 算法知識; 計算思維

中圖分類號：TP311.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2019）11-93-03

Abstract： In order to cope with the problems and challenges in the teaching of C language programming course， a trinity teaching reform plan of C language programming course is put forward. Through thematic teaching content integration， three-dimensional teaching model reform， multi-level experimental system construction and multi-dimensional curriculum assessment， students' programming skill， algorithm knowledge， computational thinking are trained. The above-mentioned teaching reform measures have been practiced in Civil Aviation University of China for two years and have achieved good results.

Key words： trinity; C language programming; teaching reform; programming skill; algorithm knowledge; computational thinking

0 前言

自然科學(xué)領(lǐng)域有三個公認(rèn)的科學(xué)方法：理論方法、實驗方法以及計算方法。與這三個科學(xué)方法對應(yīng)的三大科學(xué)思維分別是理論思維、實驗思維以及計算思維[1]。計算思維是在2006年由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出的。計算思維是指運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[2]。

1 “C語言程序設(shè)計”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

“C語言程序設(shè)計”是高等學(xué)校計算機(jī)公共基礎(chǔ)課，是大學(xué)通識教育的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的基礎(chǔ)課程。以中國民航大學(xué)為例，“C語言程序設(shè)計”課程是所有非計算機(jī)理工科專業(yè)學(xué)生的公共基礎(chǔ)課，每年有超過3000名學(xué)生在大一的第二學(xué)期學(xué)習(xí)本課程?！癈語言程序設(shè)計”課程是高校計算機(jī)類通識教育的核心課程之一。然而，目前國內(nèi)很多高校開設(shè)的C語言程序設(shè)計課程仍存在以下問題。

⑴ 教學(xué)知識點繁雜，教學(xué)課時不足

目前， “C語言程序設(shè)計”課程教學(xué)內(nèi)容陳舊，仍然以全面的語法講解為主，課程教學(xué)內(nèi)容往往不能滿足信息技術(shù)發(fā)展和實踐需求，這些都成為阻礙教學(xué)改革與發(fā)展的重要因素。此外，還存在授課內(nèi)容繁雜，教師授課面面俱到，而一般高?！癈語言程序設(shè)計”課程的學(xué)時僅為48-54學(xué)時（其中理論課時34左右），導(dǎo)致教學(xué)課時明顯不足。

⑵ 教學(xué)模式不能激發(fā)學(xué)生興趣

“C語言程序設(shè)計”課程依然延續(xù)著以往“教師講，學(xué)生聽，上機(jī)練”的教學(xué)模式，教師課堂講授理論知識部分，學(xué)生聽課后通過上機(jī)操作實驗部分。課程課內(nèi)學(xué)時有限，課外學(xué)時學(xué)生積極性不高，未能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

⑶ 實驗教學(xué)的外延性不夠

目前，實驗教學(xué)僅是課堂教學(xué)在計算機(jī)上的簡單延續(xù)，以驗證課堂所授知識為目的，無法調(diào)動學(xué)生的參與積極性，也不利于引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，課程實驗內(nèi)容的外延性不夠，甚至導(dǎo)致學(xué)生感覺本課程與其他后續(xù)的專業(yè)課程關(guān)聯(lián)小，有學(xué)而無用的錯覺。

⑷ 無法滿足培養(yǎng)學(xué)生“計算思維”的需求

目前的C語言課程授課存在重語法、輕算法、忽略思維的傾向性，即重視語法學(xué)習(xí)，很少涉及算法掌握，無法培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

針對上述問題，本文提出了面向“編程技能、算法知識、計算思維”三位一體的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)改革方案。

2 三位一體的教學(xué)改革

2.1 三位一體教學(xué)模式的內(nèi)涵與總體改革思路

采取“技能、知識、思維” [3]三位一體的教學(xué)模式，其具體內(nèi)涵及三者之間的關(guān)系如圖1所示。其中，編程技能是“C語言程序設(shè)計”課程應(yīng)該培養(yǎng)的最基本的能力，在掌握了一定的編程技能的基礎(chǔ)上，融入算法知識的學(xué)習(xí)，通過自行設(shè)計不同算法，編寫程序解決各類實際問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

圖2所示為本文設(shè)計的“C語言程序設(shè)計”課程總體教學(xué)改革思路。下面各小節(jié)將逐一闡述每一項具體的改革措施。

2.2 專題化的教學(xué)內(nèi)容整合

現(xiàn)有的“C語言程序設(shè)計”教材在內(nèi)容組織上，雖然依邏輯思維方式進(jìn)行了歸類，但難點還是較為集中、跨度大[4];概念繁瑣，但分析較少。因此，需要研究在課堂教學(xué)中對教學(xué)內(nèi)容重新歸納，以專題化、精簡化的方式提高教學(xué)質(zhì)量。目前，已經(jīng)形成了以下的C語言專題化、精簡化的教學(xué)思路。

專題一：C語言的基礎(chǔ)知識——從“數(shù)據(jù)被加工的過程”說起。主要從哪些數(shù)據(jù)能夠被加工的角度，來介紹C語言的數(shù)據(jù)類型，從被加工的手段出發(fā)介紹C語言的運(yùn)算符，從被加工的具體過程的角度，來介紹控制語句的三種基本結(jié)構(gòu)。

專題二：批量化數(shù)據(jù)的定義及使用。包括以數(shù)組的形式實現(xiàn)對相同類型數(shù)據(jù)的定義和處理，以及以結(jié)構(gòu)體和共同體的形式實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)的定義和處理。

專題三：函數(shù)的定義及使用。包括函數(shù)的定義與調(diào)用，編譯預(yù)處理等內(nèi)容。

專題四：指針及其應(yīng)用。包括指針的定義與引用，數(shù)組與指針，以及用于表示字符串的特殊指針——字符指針。

2.3 立體化的教學(xué)模式改革

設(shè)計了課內(nèi)外、線上線下等多種模式相結(jié)合的立體化教學(xué)模式改革方案。包括網(wǎng)絡(luò)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合、課內(nèi)精講與課外資源相結(jié)合、課堂教學(xué)與在線視頻教學(xué)相結(jié)合、紙質(zhì)實驗報告與在線作業(yè)相結(jié)合等四個方面的具體改革措施。

⑴ 網(wǎng)絡(luò)課堂與傳統(tǒng)課堂深入結(jié)合：大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Course，簡稱慕課或MOOC）[5]是今年興起的一種全新的在線教學(xué)模式。本課程組利用中國大學(xué)慕課平臺的開放MOOC課程，建設(shè)了我校的“C語言程序設(shè)計”SPOC網(wǎng)絡(luò)課堂。將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與SPOC網(wǎng)絡(luò)課堂學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，SPOC主要起到課前預(yù)習(xí)、課后核心知識點考查、部分知識拓展的作用，傳統(tǒng)課堂主要是核心知識點的講解。

⑵ 課內(nèi)精講與課外資源的結(jié)合：針對上述四個專題的教學(xué)內(nèi)容，以專題化的方式精講課內(nèi)核心知識，同時利用建設(shè)的校內(nèi)Bb教學(xué)平臺為學(xué)生提供經(jīng)典習(xí)題、應(yīng)用拓展、知識延伸等的課外學(xué)習(xí)資源，豐富學(xué)生的知識體系。

⑶ 紙質(zhì)實驗報告與在線提交作業(yè)相結(jié)合：采用課后作業(yè)、實驗報告和在線作業(yè)相結(jié)合的組織方法。學(xué)生的課后作業(yè)和上機(jī)實驗報告的內(nèi)容仍以紙質(zhì)報告提交。此外，本課程組自行設(shè)計開發(fā)了一套C語言程序在線提交系統(tǒng)。在我校校園網(wǎng)環(huán)境下，借助該系統(tǒng)可以實現(xiàn)作業(yè)題目的入庫與發(fā)布、作業(yè)發(fā)布、學(xué)生在線提交程序、系統(tǒng)自動批改作業(yè)并評分、組織學(xué)生進(jìn)行編程類競賽實訓(xùn)等功能。該系統(tǒng)為學(xué)生提供了提高編程技能的實戰(zhàn)環(huán)境，同時提高了作業(yè)批改效率。將紙質(zhì)報告與在線提交作業(yè)相結(jié)合，紙質(zhì)報告?zhèn)戎睾诵闹R點和關(guān)鍵上機(jī)內(nèi)容的考查，而在線提交程序作業(yè)則是以工程訓(xùn)練的手段進(jìn)一步提高學(xué)生的編程技能，鞏固課程中的算法知識。

⑷ 普通課堂教學(xué)與在線視頻教學(xué)結(jié)合：以四個專題內(nèi)容為基礎(chǔ)，從中總結(jié)了58個核心知識點，任課教師對每個知識點專門錄制了短視頻，并以微課形式發(fā)布在網(wǎng)上。微課視頻涵蓋了課程的核心知識點，有助于學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，在課堂教學(xué)時則是針對每個核心知識點進(jìn)一步展開，以經(jīng)典案例的形式深入分析，并講授與其相關(guān)的其他知識點。

2.4 多層次的實驗體系

在計算思維能力培養(yǎng)要求的指導(dǎo)下，以實際案例驅(qū)動為核心思路，設(shè)計了多層次的C語言程序設(shè)計課程實驗體系，包含演示性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗、實踐創(chuàng)新訓(xùn)練、企業(yè)實踐等五個層次。

⑴ 演示性實驗：演示性實驗的目的是直接演示相關(guān)程序，讓學(xué)生對實驗結(jié)果有直觀的認(rèn)識，或者通過編譯、執(zhí)行已有程序來驗證相關(guān)操作，使學(xué)生能夠“邊學(xué)習(xí)算法邊實踐編程”，通過編程實踐來驗證理論算法，進(jìn)而進(jìn)一步理解、掌握相關(guān)算法知識。此部分主要涉及C語言程序設(shè)計基礎(chǔ)、程序運(yùn)行過程與調(diào)試等實驗。

⑵ 設(shè)計性實驗：設(shè)計性實驗以編程實踐為基礎(chǔ)，對學(xué)生的編程技能、算法知識進(jìn)行訓(xùn)練，以實現(xiàn)提高學(xué)生工程實踐能力并培養(yǎng)計算思維的目標(biāo)。目前，本課程組已專門編撰了C語言程序設(shè)計課程的實驗指導(dǎo)書[6]，其中包含了8個設(shè)計性實驗。在提交的實驗報告中，需包含以下要素：問題及分析、算法的設(shè)計、程序流程圖、程序源代碼、歸納總結(jié)。鼓勵學(xué)生用不同的算法去解決實際問題，通過算法多樣化訓(xùn)練學(xué)生的計算思維。

⑶ 綜合性實驗：針對具體工程問題，從需求分析、算法設(shè)計、算法實現(xiàn)、程序?qū)嶋H應(yīng)用、分析總結(jié)等方面完成綜合性的實驗。綜合性實驗的選題包括兩個來源：一是課程組建立了一個綜合性實驗項目庫，學(xué)生可從其中任選一題完成;二是鼓勵學(xué)生自擬題目，自擬題目可以源于自己本專業(yè)或?qū)W生參與的實際科研項目。綜合性實驗的管理采用項目管理形式，即學(xué)生可以組織團(tuán)隊，經(jīng)歷項目的立項、開題、需求分析、方案設(shè)計、方案實現(xiàn)、測試分析、結(jié)題等全部環(huán)節(jié)，通過該方式更有助于提高學(xué)生的用計算思維解決實際工程問題的能力。

⑷ 實踐創(chuàng)新訓(xùn)練：實踐創(chuàng)新訓(xùn)練采用大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等課內(nèi)科技類項目的方式開展，如果學(xué)生已經(jīng)參與或者計劃參與相關(guān)項目，該內(nèi)容除了可以作為綜合性課程設(shè)計外，還可得到老師的指導(dǎo)。

⑸ 企業(yè)實踐：企業(yè)實踐的具體落實辦法為：課程組根據(jù)任課教師各自的科研經(jīng)歷，凝練了與企業(yè)合作中的實際案例，建立企業(yè)實踐案例庫。企業(yè)案例實踐以講解為主，每次以視頻、圖片、文字等形式展開，每個案例講解控制在5分鐘左右。重點是讓學(xué)生了解程序設(shè)計的意義和未來可能的應(yīng)用領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時擴(kuò)展學(xué)生視野。

2.5 多維度考核方式

課程考核采用包含MOOC學(xué)習(xí)成績、作業(yè)成績、考勤成績、期中和期末考試在內(nèi)的多維度考核方式。其中，MOOC學(xué)習(xí)成績通過統(tǒng)計學(xué)生在線學(xué)習(xí)時間、完成MOOC作業(yè)和測試的方式得出;作業(yè)成績包括提交的紙質(zhì)報告成績和在線提交的程序作業(yè)的成績;期中和期末考試采用題庫，以上機(jī)考試的方式完成。

3 總結(jié)

本文首先分析了目前高?！癈語言程序設(shè)計”課程教學(xué)中存在的問題。然后，提出了“編程技能、算法知識、計算思維”三位一體的教學(xué)理念，并以此為指導(dǎo)，詳細(xì)闡述了在模塊化教學(xué)內(nèi)容整合、立體化教學(xué)模式改革、多層次實驗體系建設(shè)以及多維度課程考核等方面的改革方案。該方案已在我校非計算機(jī)專業(yè)的“C語言程序設(shè)計”課程中完整實踐了兩年，取得了較好的效果，學(xué)生課程評價分?jǐn)?shù)顯著提高。目前，這些教學(xué)改革經(jīng)驗正逐步在我校計算機(jī)學(xué)院的程序設(shè)計類課程中推廣實踐。綜上，本文為通過C語言程序設(shè)計課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力提供了一種具體可行的思路和方案。

參考文獻(xiàn)（References）：

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[5] 蘇小紅，趙玲玲，葉麟，等.基于MOOC+SPOC的混合式教學(xué)的探索與實踐[J].中國大學(xué)教學(xué)，2015.7：60-65

[6] 謝麗霞，李俊生，王紅.C語言程序設(shè)計實踐教程[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2017.